化工原理緒論

1、化工原理任課教師：耿東森 Principles of Chemical Engineering化工原理化工原理緒論緒論 2學(xué)時學(xué)時第第1章章 流體流動與輸送機(jī)械流體流動與輸送機(jī)械 8學(xué)時學(xué)時第第2章章 非均相物系分離非均相物系分離 4學(xué)時學(xué)時第第3章章 傳熱傳熱 6學(xué)時學(xué)時第第4章章 氣體吸收氣體吸收 4學(xué)時學(xué)時第第5章章 蒸餾蒸餾 6學(xué)時學(xué)時考查考查2學(xué)時學(xué)時專業(yè)選修課總課時：專業(yè)選修課總課時：3232學(xué)時學(xué)時 教材教材:化工原理化工原理, 北京化工大學(xué)楊祖榮主編北京化工大學(xué)楊祖榮主編參考書參考書：1、陳敏恒、陳敏恒 ，化工原理，化工原理2、蔣維鈞等、蔣維鈞等，化工原理化工原理3、天津大學(xué)化

2、工學(xué)院柴誠敬、夏清主編，化、天津大學(xué)化工學(xué)院柴誠敬、夏清主編，化工原理及化工原理課程學(xué)習(xí)指導(dǎo)工原理及化工原理課程學(xué)習(xí)指導(dǎo)緒 論Introduction 通過緒論的學(xué)習(xí)，應(yīng)了解化工原理課程的主要內(nèi)容，單元操作的分類和特點(diǎn)，工程學(xué)科的研究方法，本課程的學(xué)習(xí)要求，掌握單位制及單位換算方法。學(xué)習(xí)目的與要求 化工化工是物質(zhì)合成、提取與制造的科學(xué)與是物質(zhì)合成、提取與制造的科學(xué)與技術(shù)。技術(shù)。 可以合成地球已有物質(zhì)，亦可制造地球可以合成地球已有物質(zhì)，亦可制造地球沒有的功能物質(zhì)；是沒有的功能物質(zhì)；是2121世紀(jì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展世紀(jì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展策略，解決資源、能源以及環(huán)境危機(jī)，提高策略，解決資源、能源以及環(huán)境危機(jī)

3、，提高人類生存質(zhì)量和保證國家與民眾安全的核心人類生存質(zhì)量和保證國家與民眾安全的核心基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)?；A(chǔ)科學(xué)與技術(shù)。 國際公認(rèn)化學(xué)科學(xué)與工程是一門國際公認(rèn)化學(xué)科學(xué)與工程是一門專業(yè)跨專業(yè)跨度大、學(xué)科交叉性強(qiáng)度大、學(xué)科交叉性強(qiáng)，是國民經(jīng)濟(jì)許多傳統(tǒng)，是國民經(jīng)濟(jì)許多傳統(tǒng)與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)、科學(xué)基礎(chǔ)與技與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)、科學(xué)基礎(chǔ)與技術(shù)支撐，有為廣譜性工業(yè)服務(wù)的特征，該學(xué)術(shù)支撐，有為廣譜性工業(yè)服務(wù)的特征，該學(xué)科作為國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的原動力?？谱鳛閲窠?jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的原動力?；せば畔⑿畔⒉牧喜牧虾教旌教焐?輕工輕工食品食品能源能源環(huán)境環(huán)境建筑建筑農(nóng)牧業(yè)農(nóng)牧業(yè)化肥化肥農(nóng)藥農(nóng)藥醫(yī)藥醫(yī)藥功能材

4、料功能材料添加劑添加劑飼料飼料 通過什么樣的工程方法和設(shè)備來實(shí)現(xiàn)其工藝過程？ 反應(yīng)物如何供給、產(chǎn)物又如何分離？ 如何提供反應(yīng)所需的熱量及使用反應(yīng)放出的熱量？ 怎樣才能從工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)中獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益？ 在什么條件下所期望的化學(xué)反應(yīng)才能發(fā)生？ 反應(yīng)的速率將會是多大？ 不期望的反應(yīng)（副反應(yīng)）速率又會是多大？ 轉(zhuǎn)化率為多少？化學(xué)工程學(xué)科一、化工原理課程簡介一、化工原理課程簡介1.化工原理的研究對象化工原理的研究對象2.化工原理的學(xué)科性質(zhì)與研究方法化工原理的學(xué)科性質(zhì)與研究方法3.化工原理的學(xué)習(xí)方法化工原理的學(xué)習(xí)方法二、化工過程計算基礎(chǔ)二、化工過程計算基礎(chǔ)1.物料衡算物料衡算2.能量衡算能量衡算3.平

5、衡與速率平衡與速率4. 經(jīng)濟(jì)核算經(jīng)濟(jì)核算三、單位制及單位換算三、單位制及單位換算例例1：味精的生產(chǎn)過程：味精的生產(chǎn)過程化學(xué)或糖化變化化學(xué)或糖化變化在發(fā)酵罐中進(jìn)行在發(fā)酵罐中進(jìn)行 原料原料發(fā)酵發(fā)酵預(yù)熱預(yù)熱蒸發(fā)蒸發(fā)味精味精 結(jié)晶結(jié)晶干燥干燥中和中和生化反應(yīng)生化反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng) 流體輸送流體輸送傳熱傳熱（物理變化過程）（物理變化過程）傳質(zhì)傳質(zhì)傳質(zhì)、傳熱傳質(zhì)、傳熱 例例2：聚氯乙烯塑料的生產(chǎn)過程聚氯乙烯塑料的生產(chǎn)過程氯化氫氯化氫 提純提純單體合成單體合成單體精制單體精制聚合聚合提純提純脫水脫水干燥干燥產(chǎn)品產(chǎn)品 反應(yīng)熱反應(yīng)熱 加成反應(yīng)加成反應(yīng) 反應(yīng)器反應(yīng)器反應(yīng)熱反應(yīng)熱 聚合反應(yīng)聚合反應(yīng)聚合釜聚合釜 乙

6、炔乙炔 壓縮、冷凝壓縮、冷凝吸收吸收傳熱傳熱傳熱傳熱過濾過濾離心分離離心分離傳熱傳熱傳質(zhì)傳質(zhì) 一、化工原理課程簡介一、化工原理課程簡介 化學(xué)反應(yīng)和若干個單元操作串聯(lián)而成。 化工原理，研究各個獨(dú)立的單元操作?；ぴ恚芯扛鱾€獨(dú)立的單元操作。1. 化工原理的研究對象化工原理的研究對象 單元操作（單元操作（Unit Operations）1) 單元操作的概念單元操作的概念化工生產(chǎn)過程 原料的預(yù)處理 進(jìn)行化學(xué)反應(yīng) 反應(yīng)產(chǎn)物的分離與提純單元操作單元操作 原料的預(yù)處理 反應(yīng)產(chǎn)物的分離與提純化工生產(chǎn)中具有共性的物理操作。2）單元操作的特點(diǎn)）單元操作的特點(diǎn)所有的單元操作都是物理性操作，只改變物料的狀態(tài)或物理

7、性質(zhì)，并不改變化學(xué)性質(zhì)。 單元操作是化工生產(chǎn)過程中共有的操作，只是不同的化工生產(chǎn)中所包含的單元操作數(shù)目、名稱與排列順序不同。 單元操作作用于不同的化工過程時，基本原理相同，所用的設(shè)備也是通用的。 3）單元操作的分類）單元操作的分類根據(jù)單元操作所遵循的基本規(guī)律，分為三類：流體動力過程 遵循流體動力基本規(guī)律，用遵循流體動力基本規(guī)律，用動量動量傳傳 遞理論研究遞理論研究如：流體輸送、沉降、過濾、固體流態(tài)化熱過程遵循傳熱基本規(guī)律，用遵循傳熱基本規(guī)律，用熱量熱量傳遞理論研究傳遞理論研究如：換熱、冷凝、蒸發(fā)等傳質(zhì)過程遵循傳質(zhì)基本規(guī)律，用遵循傳質(zhì)基本規(guī)律，用質(zhì)量質(zhì)量傳遞理論研究傳遞理論研究 如：蒸餾、吸收、

8、萃取、結(jié)晶、干燥等2. 化工原理學(xué)科性質(zhì)與研究方法化工原理學(xué)科性質(zhì)與研究方法 1）學(xué)科性質(zhì)）學(xué)科性質(zhì)工程學(xué)科工程學(xué)科用自然科學(xué)的基本原理來分析和處理化工生產(chǎn)中的物理過程。化工原理知識的學(xué)習(xí)目標(biāo)在于掌握基本化工操作單元中的物質(zhì)、能量傳遞及平衡的原理和規(guī)律，掌握簡單的數(shù)學(xué)模型、參數(shù)歸并和過程分解等重要的工程問題處理方法。知識點(diǎn)包含該單元操作中物質(zhì)、能量傳遞和平衡的原理，對單元操作的過程分析，由此推導(dǎo)出基本數(shù)學(xué)模型，并據(jù)此解決簡單的設(shè)計、計算問題。 通過學(xué)習(xí)本課程，使同學(xué)建立工程的概念，培養(yǎng)分析和解決有關(guān)單元操作各種問題的初步能力，以便在生產(chǎn)、科研和設(shè)計中達(dá)到強(qiáng)化生產(chǎn)過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高設(shè)備能力

9、及效率，降低設(shè)備投資及產(chǎn)品成本，節(jié)約能耗，防止污染以及加速新技術(shù)開發(fā)等方面工作。單元操作和設(shè)備選擇能力單元操作和設(shè)備選擇能力工程設(shè)計能力工程設(shè)計能力操作、調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的能力操作、調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的能力過程開發(fā)、科學(xué)研究的能力過程開發(fā)、科學(xué)研究的能力工工程程實(shí)實(shí)踐踐能能力力2）研究方法）研究方法工程方法工程方法 因次分析法 數(shù)學(xué)模型法 參數(shù)綜合法 當(dāng)量法 類比法直管湍流摩擦系數(shù)的推導(dǎo)雙膜模型的建立過濾常數(shù)當(dāng)量直徑、當(dāng)量長度等動量、熱量、質(zhì)量傳遞的類似律3.學(xué)習(xí)過程要求學(xué)習(xí)過程要求課前預(yù)習(xí)課前預(yù)習(xí)課堂學(xué)習(xí)、筆記課堂學(xué)習(xí)、筆記課下復(fù)習(xí)、習(xí)題課下復(fù)習(xí)、習(xí)題總結(jié)、筆記總結(jié)、筆記四四個個環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)二、化工過程計

10、算基礎(chǔ)二、化工過程計算基礎(chǔ)1.1. 物料衡算物料衡算 依據(jù)質(zhì)量守恒定律 輸入系統(tǒng)的物料質(zhì)量等于從系統(tǒng)輸出的物料質(zhì)量與系統(tǒng)中積累的物料質(zhì)量之和。AOIGGG物料衡算的通式物料衡算的通式定態(tài)過程，積累為零。則：OIGG衡算的系統(tǒng)整個生產(chǎn)過程某一設(shè)備系統(tǒng)中的所有物料某一個組分衡算的對象 例：例：在兩個蒸發(fā)器中，每小時將5000kg的無機(jī)鹽水溶液從12（質(zhì)量）濃縮到30%。第二蒸發(fā)器比第一蒸發(fā)器多蒸出5%的水分。試求：（1）各蒸發(fā)器每小時蒸出水分的量；（2） 第一蒸發(fā)器送出的溶液濃度。 解：解：首先畫一個流程圖表示進(jìn)行的過程首先畫一個流程圖表示進(jìn)行的過程 用方框表示設(shè)備，輸入輸出設(shè)備的物流方向用箭頭表

11、示。 劃定衡算的范圍劃定衡算的范圍 為求各蒸發(fā)器蒸發(fā)的水量，以整個流程為衡算范圍，用一封閉的虛線畫出。 選擇衡算基準(zhǔn)（連續(xù)操作以單位時間為基準(zhǔn)，間歇操作選擇衡算基準(zhǔn)（連續(xù)操作以單位時間為基準(zhǔn)，間歇操作以一批操作為基準(zhǔn)）以一批操作為基準(zhǔn)） 由于連續(xù)操作，以1小時為基準(zhǔn)。蒸發(fā)器1蒸發(fā)器2x1W1W2F0=5000kg/hx0=0.12F1F2x2=0.3 確定衡算對象確定衡算對象 此題中有兩個未知數(shù)，蒸發(fā)的水量及送出的鹽溶液量F2，因此，我們就以不同衡算對象列出兩個衡算式。 對鹽作物料衡算：2200 xFxF對總物料作衡算：2125000WWF代入已知數(shù)據(jù)，得：23 . 012. 05000Fkg

12、/h20002Fkg/h300021WW由題意知1205. 1WW kg/h6 .1536 kg/h 4 .146321WW 求第一個蒸發(fā)器送出的溶液濃度，選擇第一個蒸發(fā)器為衡算范圍。對鹽作物料衡算：1100 xFxF 對總物料作衡算：110FWF 代入已知數(shù)據(jù)，得：1112. 05000 xF14 .14635000F解得：kg/h6 .35361F%97.161697. 01x2 熱量衡算熱量衡算依據(jù)：能量守恒定律依據(jù)：能量守恒定律 即任何時間內(nèi)輸入系統(tǒng)的總熱量等于系統(tǒng)輸出的總熱量與損失的熱量之和。LoIQQQ 熱量衡算通式熱量衡算通式或?qū)懗蒐OI)()(QwHwH 熱量衡算的基本方法與物

13、料衡算的方法相同，也必須首先劃定衡算范圍及衡算基準(zhǔn)。 此外應(yīng)注意焓是相對值，因此必須指明基準(zhǔn)溫度，習(xí)慣上選0為基準(zhǔn)溫度，并規(guī)定0時液態(tài)的焓值為零。3.3.過程的平衡和速率過程的平衡和速率 平衡問題平衡問題 過程的平衡問題是說明過程進(jìn)行的方向和所能達(dá)到的極限。 平衡是一個動態(tài)的過程。 速率速率 過程的速率表示為： 過程的速率推動力阻力過程的速率推動力阻力推動力：過程所處的狀態(tài)與平衡狀態(tài)的距離，阻力：過程的阻力是各種因素對速率影響的總的體現(xiàn)。 過程的速率是指過程由不平衡到平衡進(jìn)行的快慢。 4.經(jīng)濟(jì)核算經(jīng)濟(jì)核算在設(shè)計具有一定生產(chǎn)能力的設(shè)備時，選用不同的材料，不同的設(shè)備及操作條件，可以提出多種不同的設(shè)

14、計方案。但最終應(yīng)從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行比較，從設(shè)備的造價、操作的難易、人力、水電和燃料的消耗、耐用年限等多方面進(jìn)行綜合評價，從中選擇經(jīng)濟(jì)上最有利的方案。三、單位制及單位換算三、單位制及單位換算任何物理量的大小都是由數(shù)字和單位聯(lián)合來表達(dá)的，二者缺一不可。1.1.單位及單位制度單位及單位制度 基本量：任意選定的幾個獨(dú)立的物理量(如長度,時間等)。 基本單位：根據(jù)使用方便的原則制定的基本量的單位。 導(dǎo)出量：根據(jù)物理量與基本量之間的關(guān)系來確定的量。 導(dǎo)出單位：導(dǎo)出量的單位稱為導(dǎo)出單位，均由基本單位相 乘、除而構(gòu)成的。如速度，u=L/t m/s。 單位制：單位制：基本單位與導(dǎo)出單位的總和。物理單位制：基本單位：長度cm 質(zhì)量g 時間s工程單位制：基本單位：長度cm 力 kgf 時間s SI單位制：基本單位有7個，化工中常用的有5個： 長度m 、質(zhì)量kg 、時間s 、溫度K、 物質(zhì)的量mol2 2單位換算單位換算 已知1atm=1.033kgf/cm2,將其換算成N/m2。 按題意需將kgf/cm2中的kgf換算成N，cm2換算成m2,查附錄，換算關(guān)系為：1kgf=9.81N， 1cm=0.01m上述關(guān)系代入，得：2522N/m10013. 1m01. 0N81. 9033. 1cmkgf033. 1atm13單位的正確